铁路高架站房下地铁车站扩建实施方案研究

蔡建鹏



铁路高架站房下地铁车站扩建实施方案研究

蔡建鹏

厦门地铁4号线厦门北站站位于高铁厦门北站高架站房下，为实施 4 号线列车扩编，需对4 号线厦门北站站进行扩建。该站位于高铁高架站房下承台桩基之间，结构距离桩基非常近，工程实施条件困难，施工风险大。文章对双层明挖和单层暗挖 2 种方案的可实施性和适用性进行了深入研究，对 2 种方案施工对开挖基坑、邻近桩基和隧道周边土体的影响进行模拟分析，提出了相应的工程设计与施工措施。

铁路高架站房；地铁车站扩建；实施方案；研究

对于地铁车站与铁路站房合建的大型交通枢纽，地铁车站一般位于铁路站房下面，并与铁路站房同期实施，以避免分期实施困难及相互影响过大。对位于铁路站房下需改扩建的地铁车站，由于铁路站房下结构复杂、墩柱、承台和桩基础分布较密，施工净高有限及施工场地狭窄，地铁车站扩建会面临更复杂的环境和更不枢纽。4 号线厦门北站站为地下 2 层岛式车站，位于高铁高架站房落客平台之下，先期已与高铁高架站房同步建成车站主体结构为单柱双跨框架结构。 4 号线厦门北站站扩建部分结构位于已建高铁高架站房落客平台下方的桩基承台之间，墩柱、承台及桩基础对称分布于车站结构两侧，承台底埋深约 6.8 m，两侧承台间最小净距为 22.3 m。4 号线线路中心与承台间的最小净距为 3.65 m，与桩基间的最小净距为 4.1 m（图1）。

厦门北站场地原始地貌类型为坡残积台地与山前冲洪积谷地，地层自上而下依次有<1-2>素填土层、<8-3>中粗砂层、<11-1>残积砂质粘性土层、<17-1>全风化花岗岩层、<17-2>散体状强风化花岗岩层。场地内含水岩组主要为风化残积孔隙裂隙含水岩组，一般由砂质黏性土组成，弱透水及弱含水层，富水性差，水位埋深一般为 2～8 m，年水位变化幅度约 2～3 m。

1　工程概况

厦门北站为集高铁站房、地铁 1、4 号线为一体的大型综合交通间相互影响明显，车站结构实施条件困难、风险大。为保证工程顺利进行，最大程度地减小扩建车站施工对承台和桩基的影响，本文主要从以下方面进行研究分析：

（1）选择合理的施工工法。施工工法不同，工期进度、施工难度、风险及对周边环境的影响也不同。结合此工程，在保证车站功能的前提下，本文重点研究分析双层明挖法与单层暗挖法方案的可实施性和适用性；

（2）采取可靠的工程设计方案和措施。扩建车站与邻近承台桩基强相关，扩建车站开挖施工引起地层损失，对承台桩基的水平和竖向变形、桩侧摩阻力损失影响较大。根据不同的工法，提出相应的设计方案与施工措施。

2　研究思路

4号线厦门北站站结构距离高铁高架站房落客平台承台和桩基非常近，且落客平台下施工净高有限，工程易控制的施工风险。厦门地铁 4 号线列车由 4辆编组改为6辆编组，先期实施的高铁厦门北站站主体已无法满足地铁功能需求，需对 4号线厦门北站站结构进行改造和扩建。

图1　扩建地铁车站与高架落客平台平面关系图

3　双层明挖扩建方案

高铁高架站房落客平台下 4 号线车站为地下 2 层结构，车站结构外轮廓宽约为 21.3 m。4 号线车站扩建采用双层明挖方案，开挖基坑深度约 20.7 m，宽度约 21.3 m，基坑边距离承台最近约 0.468 m，距离桩基础最近约 0.918 m，桩基为直径 900 mm的钻孔灌注桩（图2）。

3.1技术方案与措施

双层明挖扩建4号线车站基坑开挖深度深，地下水位较高，且距离高铁高架站房落客平台承台桩基很近，周边环境复杂，施工场地及空间狭窄，基坑开挖实施困难且施工风险高。此方案应重点解决基坑围护结构选型、基坑止水及基坑开挖对邻近高铁高架站房落客平台承台桩基水平变形影响等问题。

3.1.1围护结构方案及措施

结合场地水文地质条件、施工净高及类似工程经验，基坑围护结构采用直径 1 000 mm 间距 1 200 mm 的钻孔桩+桩间旋喷止水+多道内支撑的支护型式，与 4 号线既有车站的围护结构形成封闭基坑，围护结构施工时需避让承台间的横向基础梁。

CT-2、CT-3承台距离基坑边不足 500 mm，此范围内的基坑无法施作刚度大的钻孔桩和旋喷桩止水帷幕，采用 DN200 钢管桩支护。为弥补因支护结构刚度薄弱引起基坑侧壁及土体和承台桩基水平位移过大、桩侧摩阻力损失、基坑止水封闭性差等问题，降低施工风险，钢管桩外侧及承台下采用注浆加固地层以提高坑外土体的稳定性，减小主动区土压力及基坑侧壁水平变形，并增强基坑止水效果和封闭性（图3）。

图2　明挖车站与承台桩基关系（单位：mm）

3.1.2邻近承台桩基保护方案及措施

为降低基坑开挖对邻近承台和桩基的影响，采取以下设计与施工技术措施（图4）：

（1）将现状地面开挖至承台顶面，开挖深度约4.116 m；

（2）对承台下、承台间及周边土体进行地面注浆加固，减小承台和桩基受影响范围内主动区土压力，降低基坑开挖对桩侧土体的扰动及因桩侧土体位移造成的桩侧摩阻力损失；

（3）相邻承台周边新建钻孔桩基、承台，凿毛原承台植筋与其浇注为一体，弥补开挖期间原桩基摩阻力及承载力损失，并限制承台位移；

图3　围护结构及桩基平面布置图

图4　围护结构与桩基加固剖面（单位：mm）

（4）开挖期间按特级基坑控制基坑变形及沉降，提高现场施工管理水平，加强基坑水平位移、承台桩基水平位移、地下水位及地表沉降的监测，提高监测频率和监测精度，信息化施工。

3.2双层明挖扩建施工模拟分析

双层明挖扩建方案基坑开挖施工对邻近桩基将产生影响，本文采用有限元分析软件 MIDAS GTS 对基坑开挖及对邻近桩基变形进行模拟分析。假定基坑开挖卸载加载为二维平面应变问题，有限元模型尺寸为60 m×80 m，网格尺寸为 1 m×1 m。对于初始应力场，水平土层条件的初始应力场采用 K0系数法，非水平土层情况下需要采用施加重力场法确定初始应力。采用 Mohr-Coulomb 模型作为土体本构模型，有限元模型见图 5。图 6、7 给出了基坑和桩基水平位移计算云图，由图 6、7 位移云图可见：

（1）基坑开挖至第 2 道支撑时水平变形为5.57 mm，位于开挖面；开挖至第 3 道支撑时水平变形为 9.74 mm；开挖至基底时水平变形为 10.2 mm，位于第 3 道支撑附近。围护结构变形呈“大肚子”状，相对于基坑中心线对称分布；

（2）基坑开挖至基底时，第1排桩基最大水平变形为 8.4 mm，第 2 排桩基最大水平变形为 6.98 mm，第 3 排桩基最大水平变形为 6.3 mm，第 4 排桩基最大水平变形为 5.7 mm，均位于基底附近，变形趋势与基坑变形趋势一致，且满足变形要求。

图5　模型网格图

图6　基坑水平变形云图

图7　桩基水平变形云图

图8　暗挖隧道与桩基关系（单位：mm）

4　单层暗挖扩建方案

根据厦门北站周边客流流向及商业规划，4 号线车站地下 1 层空间利用及商业开发价值低，因此考虑把 4 号线车站折返线部分移至高铁高架站房落客平台之外，车站扩建采取 2 个单洞单线的单层暗挖方案与既有车站连接，如图 8 所示。

4.1技术方案与措施

暗挖隧道施工工艺复杂，施工难度较大，施工技术要求高，此方案应重点解决暗挖隧道施工期间周边土体的变形，以及隧道开挖对邻近桩基变形影响的问题。

为减小暗挖隧道施工对周边土体的扰动及对邻近桩基的影响，施工前从地面预注浆加固暗挖隧道及桩侧周边土体。考虑到暗挖隧道与桩基础最小的净距为 1.056 m，特采取以下设计与施工技术措施：

（1）施工前应进一步对高架站房落客平台的基础、结构型式及现状进行调查，并根据隧道与桩基的距离等条件，预先制订可靠的分级应急预案和加固方案，当监测结果达到不同预警值时，及时采取相应措施以保安全；

（2）施工时严格遵守“十八字方针”开挖，洞内加强初期支护、进行拱部地层注浆加固，减小拱部应力释放；

（3）隧道开挖时，施做大刚度超前支护，同时加强衬砌刚度，增设临时支撑、控制拱脚沉降；

（4）及时进行衬砌与地层之间的填充注浆；（5）必要时对桩基础进行补强加固等措施；（6）施工时加强监控量测，根据监测结果及时调整施工参数和加固措施。

4.2单层暗挖扩建施工模拟分析

采用有限元分析软件 MIDAS GTS 对单层暗挖方案施工对隧道周边土体及邻近桩基变形影响进行模拟分析。假定隧道开挖为二维平面应变问题，有限元模型尺寸为 600 m×100 m，网格尺寸为 1.5 m×1.5 m，隧道附近网格加密。对于初始应力场，水平土层条件的初始应力场采用 K0系数法，非水平土层情况下需要采用施加重力场法确定初始应力。采用 Mohr-Coulomb 模型作为土体本构模型，有限元模型见图 9。图 10、图 11 给出了隧道周边土体和桩基位移计算云图，由图 10、图 11 位移云图可见：

图9　模型网格图

图10　隧道周边土体位移云图

图11　桩基水平位移云图

（1）暗挖隧道周边土体最大水平位移位于隧道顶部和底部，且均为为 1.65 mm；地表最大竖向位移位于隧道正上方附近，为 3.4 mm，且竖向位移曲线呈抛物线状。

（2）第1排桩基最大水平变形为 1.66 mm，第 2 排桩基最大水平变形为 1.17 mm，第 3 排桩基最大水平变形为 0.98 mm，均位于隧道底以下约 2.0 m处，满足变形要求。

5　方案比较

根据2种扩建施工方案的技术措施及计算分析，高架落客平台下采用双层明挖和单层暗挖实施方案扩建4号线车站均具有一定可实施性。双层明挖基坑稳定性差，设计与施工措施复杂，施工工艺与技术要求高，工期长，施工风险高，对邻近桩基影响较大，但车站使用功能更完整、空间利用率更高；单层暗挖法施工措施简单，工期短，施工风险较低，对邻近桩基影响较小，但车站空间利用不便。

本文综合考虑本工程工期、设计、施工技术措施、风险，对周边结构的影响模拟分析，以及车站功能和周边规划， 建议4号线厦门北站站扩建实施方案采用单层暗挖方案。

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Implementation Scheme for Extension of Metro Stations under Elevated Railway Station Building

Cai Jianpeng

Xiamen North station on Metro line 4 is located under the elevated station building structure of Xiamen North high speed railway station, for the implementation of the line 4 train longer consist, prolong and extension of Xiamen North station on line 4. The station is located between pile foundations of the high speed railway elevated station buildings and the distance of structure is very close to the pile foundation, the conditions for implementation of the project are very difficult, and the construction is at high risks. The paper makes in-depth study on the 2 different implementation schemes and applicability of double open cut and monolayer underground excavation, a simulated analysis is made on the influence of foundation pit excavation, adjacent pile and surrounding soil by the 2 different construction schemes, the paper also puts forward the corresponding engineering design and construction measures.

elevated railway station building, metro station extension, implementation scheme, study

U231

蔡建鹏：中铁四院勘察设计院有限公司，工程师，湖北武汉 430065

2015-09-23责任编辑 朱开明